INFLUENCE OF ELECTROMAGNETIC RADIATION OF TERAHERTZ RANGE ON PROOXIDANT PROCESSES IN ERYTHROCYTES

Дерюгина А.В.¹, Ошевенский Л.В.², Таламанова М.Н.³, Шабалин М.А.⁴, Хламова Ю.Н.⁵, Куваева С.С.⁶, Цветков А.И.⁷

¹ ORCID: 0000-0001-8812-8559, Доктор биологических наук, Доцент, ² Кандидат биологических наук, Доцент, ³ ORCID: 0000-0003-0512-6940, Кандидат биологических наук, ⁴ Ведущий инженер, ^5,6 Студент, Национальный исследовательский университет Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, ⁷ Кандидат технических наук, Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук» (ИПФ РАН)

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №15-44-02358 р_поволжье_а

ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ТЕРАГЕРЦОВОГО ДИАПАЗОНА НА ПРООКСИДАНТНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЭРИТРОЦИТАХ

Аннотация

Изучали действие электромагнитного излучения терагерцового диапазона на частоте 263 ГГц при мощности излучения 0,1 – 20 мВт/cм² в непрерывном и дробном режимах облучения на кровь крыс in vitro.Установлено, что воздействие терагерцовыми волнами в исследуемых режимах воздействия приводит к активации процессов перекисного окисления липидов при мощности 0,5 – 1 мВт/см²  с последующим снижением прооксидантных реакций в эритроцитах при увеличении мощности воздействия.

Ключевые слова: терагерцовый диапазон, малоновый диальдегид

Derjugina A.V.¹, Oshevenskij L.V.², Talamanova M.N.³, Shabalin M.A.⁴, Hlamova Ju.N.⁵, Kuvaeva S.S.⁶, Cvetkov A.I.⁷

¹ ORCID: 0000-0001-8812-8559, PhD in Biology, Associate professor, ² PhD in Biology, Associate professor, ³ ORCID: 0000-0003-0512-6940, PhD in Biology, ⁴ Engineer, ^5,6 Student, National Research Lobachevsky State University of Nizhni Novgorod, ⁷ PhD in Engineering, Federal State Budgetary Institution of Science Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Sciences (IAP RAS)

INFLUENCE OF ELECTROMAGNETIC RADIATION OF TERAHERTZ RANGE ON PROOXIDANT PROCESSES IN ERYTHROCYTES

Abstract

We studied the effect of terahertz electromagnetic radiation at a frequency of 263 GHz radiation power 0.1 - 20 mW / cm² in continuous mode and fractional irradiation on the blood of rats in vitro. It was found that exposure to terahertz waves in the test mode of action leads to the activation of lipid peroxidation at a power of 0.5 - 1 mW / cm² with a reduction process by increasing the power of exposure.

Keywords: terahertz range, malonic dialdehyde

Исследования терагерцового диапазона излучения на сегодняшний день идут очень интенсивно, что обусловлено особенностью действия ТГц-диапазона, спектры которого соответствуют колебательные и вращательные характеристикам большинства окружающих нас веществ, в том числе, различным клеточным метаболитам [1,2]. Однако имеющиеся литературные данные носят больше констатирующий характер, не раскрывая интимных сторон механизма регуляторного влияния ЭМИ ТГЧ, что связано с огромным диапазоном частот, присущий ТГц-диапазону, не позволяющим однозначно трактовать вопрос о преимуществах того или иного частотного диапазона [3]. Учитывая, что одной из универсальных реакций организма на внешнее воздействие являются процессы перекисного окисления липидов целью работы, ставилось исследование концентрации МДА эритроцитов при действии низкоинтенсивного электромагнитного излучения терагерцового диапазона (ЭМИ ТГц) при мощности излучения 0,1 – 20 мВт/cм² в непрерывном и дробном режимах облучения.

В работе исследовали действие различных режимов ЭМИ ТГц на кровь крыс in vitro. В качестве источника ЭМИ ТГц применяли автоматизированный микроволновый комплекс на базе гиротрона с рабочей частотой 263 ГГц, разработанный и изготовленный ИПФ РАН-ЗАО НПП ГИКОМ, обеспечивающий как непрерывный, так и импульсный режимы генерации [4].  Проводили 3 серии экспериментов. В первой и второй серии кровь облучали в непрерывном режиме воздействия в течение 15 мин и 1 мин соответственно. В третьей серии образцы облучались СВЧ импульсами длительностью 200 мс сериями по 300 импульсов со скважностью ½,  таким образом, что суммарное время облучения составляло 1 мин. Контролем служили интактные эритроциты. Интенсивность перекисного окисления липидов определяли по содержанию малонового диальдегида в эритроцитах спектрофотометрически. Статистическую обработку полученных данных проводили с использованием Т–критерия Стьюдента.

Исследование концентрации МДА в эритроцитах при действии ЭМИ  ТГц показало значительные колебания этого продукта перекисного окисления липидов (ПОЛ) в эритроцитах в зависимости от мощности излучения. Концентрация МДА возрастала при мощности 0,5 – 1 мВт/см², затем постепенно уменьшалась при увеличении мощности до 5 – 10 мВт/cм². Воздействие терагерцовыми волнами при различных режимах излучения (облучение в непрерывном режиме воздействия в течение 15 мин и 1 мин, и в дробном режиме) вызывало сходную динамику изменения концентрации МДА в эритроцитах, однако уменьшение времени воздействия приводило к снижению выраженности изменений данного параметра.

Исходя из выше изложенного можно заключить, что воздействие ТГц-облучения обусловливает изменения процессов перекисного окисления липидов нелинейного, колебательного характера. Нелинейной бимодальной зависимости эффекта от дозы, вероятно, объяснима существованием разрыва между дозами, вызывающими повреждения в биообъектах и инициирующими системы их восстановления. В частности, одним из механизмов действия электромагнитного излучения терагерцового диапазона, может явиться образование активных форм кислорода в системе, что может вызывать повреждение липидной структуры биологических мембран и приводить к нарушению пространственной изоляции ферментов с последующим повреждением макромолекул. В свою очередь, генерация активных форм кислорода в самой биосистеме при действии различных электромагнитных полей может вызывать активацию антиоксидантных систем клеток, лимитирующих процесс ПОЛ. Подтверждением сказанному, являются проведенные исследования in vitro при сочетанном воздействии оксигенации крови и ее последующую обработку электромагнитным полем (полем Дарсонваля (3 мин.), обеспечивает стимуляцию антиоксидантных резервов более чем на 20% от показателей контроля [5].

Таким образом, проведенное исследование позволяет конкретизировать диапазон частот ТГц-излучения, которые вызывают активацию ПОЛ, либо опосредуют процессы инактивации, что необходимо для дальнейшей разработки механизма действия электромагнитного излучения терагерцового диапазона  с целью возможного его использования при альтерации функций организма.

Литература

1. Чекрыгин В. Э. Терагерцовый диапазон на страже здоровья// Известия Южного федерального университета. Технические науки. – 2009. – Т.96, № 7. – С.102-107
2. Бецкий О.В., Креницкий А.П., Майбородин А.В., Тупикин В.Д. Биофизические эффекты волн терагерцового диапазона и перспективы развития новых направлений в биомедицинской технологии: «Терагерцовая терапия» и «Терагерцовая диагностика» // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. – 2003. – № 12. – С. 3–6.
3. Баграев Н.Т. и др. Приборы инфракрасной и терагерцевой наноэлектроники в биологии и медицине // Инновации. – 2007. – № 12. – С. 100–109.
4. Glyavin M.Y., Chirkov A.V., Denisov G.G., Fokin A.P., Kholoptsev V.V., Kuftin A.N., Luchinin A.G., Golubyatnikov G.Y., Malygin V.I., Morozkin M.V., Manuilov V.N., Proyavin M.D., Sedov A.S., Tsvetkov A.I., Zapevalov V.E., Sokolov E.V., Tai E.M. Experimental tests of 263 GHz gyrotron for spectroscopy applications and diagnostic of various media // Rev. Sci. Instr. – 2015. – V 86, № 5. – P. 054705.
5. Мартусевич А.К., Мартусевич А.А., Дерюгина А.В. Состояние процессов липопероксидации крови при различных вариантах ее обработки активными формами кислорода // Лято – 2015 сборник научни стати в 8 томах. Т.7 «Медицина», ч. 2. – Варна: Изд-во "Център за научни изследвания и информация "парадигма"". – 2015. С. 219-222.

References

1. Chekrygin V. Je. Teragercovyj diapazon na strazhe zdorov'ja // Izvestija Juzhnogo federal'nogo universiteta. Tehnicheskie nauki. – 2009. – T.96, № 7. – S.102-107
2. Beckij O.V., Krenickij A.P., Majborodin A.V., Tupikin V.D. Biofizicheskie jeffekty voln teragercovogo diapazona i perspektivy razvitija novyh napravlenij v biomedicinskoj tehnologii: «Teragercovaja terapija» i «Teragercovaja diagnostika» // Biomedicinskie tehnologii i radiojelektronika. – 2003. – № 12. – S. 3–6.
3. Bagraev N.T. i dr. Pribory infrakrasnoj i teragercevoj nanojelektroniki v biologii i medicine // Innovacii. – № 12. – 2007. – S. 100–109.
4. Glyavin M.Y., Chirkov A.V., Denisov G.G., Fokin A.P., Kholoptsev V.V., Kuftin A.N., Luchinin A.G., Golubyatnikov G.Y., Malygin V.I., Morozkin M.V., Manuilov V.N., Proyavin M.D., Sedov A.S., Tsvetkov A.I., Zapevalov V.E., Sokolov E.V., Tai E.M. Experimental tests of 263 GHz gyrotron for spectroscopy applications and diagnostic of various media // Rev. Sci. Instr. – 2015. – V 86, № 5. – P. 054705.
5. Martusevich A.K., Martusevich A.A., Derjugina A.V. Sostojanie processov lipoperoksidacii krovi pri razlichnyh variantah ee obrabotki aktivnymi formami kisloroda // Ljato – 2015 sbornik nauchni stati v 8 tomah. T.7 «Medicina», ch. 2. – Varna: Izd-vo "Centr za nauchni izsledvanija i informacija "paradigma"". – 2015. S. 219-222.